一、大綱解讀
立體幾何的主要內(nèi)容是空間幾何體,點(diǎn)線面之間的位置關(guān)系,空間向量與立體幾何.其考查內(nèi)容主要是空間兩直線的位置關(guān)系、直線與平面的位置關(guān)系、兩平面的位置關(guān)系;異面直線所成的角、二面角、線面角;幾何體的表面積和體積、空間幾何體的三視圖和直觀圖等.其中線面平行與垂直判定定理與性質(zhì)定理、面面平行與垂直判定定理與性質(zhì)定理是考查的重點(diǎn).對(duì)于理科生來說,空間向量作為一種新的快捷有效的工具已被廣泛應(yīng)用于解決立體幾何綜合問題,是高考的焦點(diǎn)所在.
二、高考預(yù)測(cè)
一般來說立體幾何有兩個(gè)左右的選擇題或填空題和一道解答題,約20-25分,占整章試卷的15%. 選擇題或填空題考查的是空間幾何體和點(diǎn)線面位置關(guān)系的基本問題,與三視圖相結(jié)合考查是一種典型題型;解答題近年已成為一個(gè)較為固定的模式,以多面體(少數(shù)為旋轉(zhuǎn)題)為載體,考查點(diǎn)線面的位置關(guān)系的判斷推理,求空間角和距離,求有關(guān)最值和體積一般分步設(shè)問,難度逐漸增大,但都可以用基本方法解決,理科生要會(huì)用空間向量來解決這類問題.
三.重點(diǎn)剖析
立體幾何的重點(diǎn)內(nèi)容是柱錐臺(tái)球的表面積和體積,空間幾何體的三視圖和直觀圖,平面的基本性質(zhì),空間線面位置關(guān)系,空間向量的基本問題,空間向量與立體幾何,特別是用空間向量解決立體幾何中的線面平行與垂直的證明,求解異面直線所成的角、二面角、線面角,以及簡(jiǎn)單的距離計(jì)算.
重點(diǎn)一:空間幾何體的三視圖、體積與表面積
【例1】 一個(gè)空間幾何體的主視圖、左視圖、俯視圖為直角三角形,邊長(zhǎng)如圖所示,那么這個(gè)幾何體的體積為( ) A.1 B.2 C.3 D.4
【分析】根據(jù)三個(gè)試圖可以知道這個(gè)幾何體是一個(gè)一條側(cè)棱和底面垂直,底面是直角三角形的三棱錐。 【解析】該幾何體是底面兩直角邊長(zhǎng)分別是1,2的直角三角形,高為3的三棱錐,故其體積為?
11
1?2
3?1。 32
【點(diǎn)評(píng)】主試圖和側(cè)視圖的高就是實(shí)際幾何體的高。
【例2】已知一個(gè)幾何體是由上下兩部分構(gòu)成的組合體,其三視圖如下,若圖中圓的半徑為1,等腰三角形的腰長(zhǎng) ( )
A.
4?8?10? B.2? C. D. 333
【分析】這個(gè)空間幾何體是一個(gè)圓錐和一個(gè)半球組成的組合體,把其中的數(shù)量關(guān)系找出來按照?qǐng)A錐和球的體積計(jì)
算公式計(jì)算就行.
【解析】A 這個(gè)幾何體是一個(gè)底面半徑為1,高為2的圓錐和一個(gè)半徑為1的半球組成的組合體,故其體積為
1144???12
2????13?. 3233
【點(diǎn)評(píng)】空間幾何體的三視圖是課標(biāo)高考的一個(gè)考點(diǎn),主要考查方式之一就是根據(jù)三視圖還原到原來的空間幾何
重點(diǎn)二:空間點(diǎn)、線、面位置關(guān)系的判斷
【例3 】已知m、n是不重合的直線,?和?是不重合的平面,有下列命題: (1)若m??,n∥?,則m∥n;(2)若m∥?,m∥?,則?∥?; (3)若????n,m∥n,則m∥?且m∥?; (4)若m??,m??,則?∥? 其中真命題的個(gè)數(shù)是( )
A.0 B.1 C.2 D.3 【 分析】(1)是假命題,如果一條直線平行于一個(gè)平面,該直線不與平面內(nèi)所有直線平行,只與部分直線平行;(2)是假命題,平行于同一直線的兩平面的位置關(guān)系不確定;(3)是假命題,因?yàn)閙可能為?和?內(nèi)的直線,則m∥
(4)是真命題,垂直于同一直線的兩平面平行。 ?且m∥?不一定成立;
【解析】選B。
【點(diǎn)評(píng)】本題考查的是有關(guān)線面關(guān)系命題的真假,所以通過利用定理來解決上述有關(guān)問題。 【例4】 在下列關(guān)于直線l、m與平面?和?的命題中,真命題的是( )
A.若l??且???,,則l?
; B.若l??且?∥?,則l??; C.若l??且???,則l∥?; D.若????m且l∥m,則l∥?
【分析】高考中通常以選擇或填空的形式來考查垂直關(guān)系的判定。
A顯然是錯(cuò)誤的;C中l(wèi)可在平角?內(nèi),故l∥?錯(cuò)誤;D中l(wèi)可在平角?內(nèi),故l∥?錯(cuò)誤; 【解析】選B。
【點(diǎn)評(píng)】該題主要考查的是想象能力和位置關(guān)系。
【例5】正方體ABCD?A1B1C1D1中,對(duì)角線A1C?平面BDC1=O,AC和BD交于點(diǎn)M,求證:點(diǎn)C1、O、M共線。
DA1
C
【分析】要證明若干點(diǎn)共線問題,只需要證明這些點(diǎn)同在兩個(gè)相交平面內(nèi)即可。 【證明】如圖所示,由A1A∥C1C,則AA1CC1確定平面AA1C。
A1C?平面AA1C,O?A1C,?O?平面AA1C。 又A1C?平面BDC1=O,?O?平面BDC1。 ?O在平面BDC1與平面AA1C的交線上。 又AC?BD?M,?平面AA1C?平面BDC1=C1M, ?O?C1M,即O、C1、M三點(diǎn)共線。
【點(diǎn)評(píng)】該題的考向是點(diǎn)共線的問題,一般轉(zhuǎn)化為證明這些點(diǎn)是某兩個(gè)平面的公共點(diǎn),這樣就可以根據(jù)公理2證明這些點(diǎn)都是在這兩個(gè)平面的交線上。
重點(diǎn)三:空間線面位置關(guān)系的證明和角的計(jì)算
【例6】 ABCD?A1B1C1D1是邊長(zhǎng)為a正方體,計(jì)算下列問題:(1)AD1與B1C所成角的大?。唬?)若
E、F、G、H為對(duì)應(yīng)棱的中點(diǎn),求EF,GH所成的角。
【分析】該題可以采用平移法,即將EF,GH平移到D1B1和AB1即可。
【解析】(1)連BC1,則AD1∥BC1,所以BC1?B1C,則AD1?B1C,即AD1與B1C所成角為90; (2)連AB1,B1D1,則EF∥B1D1,GH∥AB1,?D1B1A即為EF和GH所成的角, 因?yàn)?D1B1A為正三角形,??D1B1A=600,即EF和GH所成的角為600。
A1
C
圖2
【點(diǎn)評(píng)】掌握此類基本題的解法,也是反映同學(xué)們的立體幾何基礎(chǔ)。
【例7】如圖,四棱錐P?ABCD中,PA⊥底面ABCD, PC⊥AD.底面ABCD為梯形,AB//DC,AB?BC.PA?AB?BC,點(diǎn)E在棱PB上,且PE?2EB.
(1)求證:平面PAB⊥平面PCB; (2)求證:PD∥平面EAC; (3)(理)求平面AEC和平面PBC所成銳二面角的余弦值.
【分析】(1)根據(jù)兩個(gè)平面垂直的判定定理,尋找一個(gè)面對(duì)一條直線垂直于另一個(gè)平面;(2)根據(jù)線面平行的判定定理,尋找線線平行;(3)可以利用傳統(tǒng)的方法作出二面角的平面角解決,也可以利用空間向量的方法解決。
【解析】(1)∵PA?底面ABCD,∴PA?BC.又AB?BC,PA?AB?A,∴BC⊥平面PAB. 又BC?平面PCB,∴平面PAB⊥平面PCB.
(2)∵PA?底面ABCD, ∴PA?AD,又PC?AD,∴AD?平面PAC,∴AC?AD.
在梯形ABCD中,由AB?BC,AB?BC,得?BAC?又AC?AD,故?DAC為等腰直角三角形.∴DC?
4
,∴?DCA??BAC?
4
.
2AB.
DMDCPEDM
2. 在?BPD中,??2,∴PD//EM MBABEBMB
又PD?平面EAC,EM?平面EAC, ∴PD∥平面EAC.
連接BD,交AC于點(diǎn)M,則
(3)方法一:在等腰直角中,取中點(diǎn),連結(jié),則.∵平面⊥平面,且平面PAB?平面PCB=PB,∴AN?平面PBC.
在平面PBC內(nèi),過N作NH?直線CE于H,連結(jié)AH,由AN?CE、NH?CE,得CE?平面ANH,故AH?CE.∴?AHN就是二面角A?CE?P的平面角.
H
在Rt?PBC中,設(shè)CB?a,
則PB?
11,,NE?PB?
,BE?
PB?
63CE??
, 3
由NH?CE,
EB?CB可知:?NEH∽?CEB,∴在Rt?AHN中,AN
NHCB
,代入解得:NH?.
NECE
AN?,
cos?AHN?. ,∴tan?AHN??NH26
∴平面AEC和平面PBC
方法二:以A為原點(diǎn),AB,AP所在直線分別為y軸、z軸,如圖建立空間直角坐標(biāo)系.
2aa?
設(shè)PA?AB?BC?a,則A?0,0,0?,B?0,a,0?,C?a,a,0?,P?
0,0,a?,E?0,,?.
33?
ax?ay?0,uuuruuur11?
設(shè)n1??x,y,1?為平面EAC的一個(gè)法向量,則n1?AC,n1?AE,∴?2aya,解得x?,y??,∴
22??0.?3?311
n1?(,?,1).
22
uuuruur
設(shè)n2??x',y',1?為平面PBC的一個(gè)法向量,則n2?BC,n2?BP,
又
BC??a,0,0?
,
BP?(0,?a,a)
,∴
ax'?0,?'?ay?a?0,?
,解得x'?0,y'?1,∴
【點(diǎn)評(píng)】求二面角的平面角的方法通常有:一是根據(jù)線面垂直關(guān)系作出二面角的平面角,通過解三角形解決;二是用空間向量的方法來求解,方法是:求出兩個(gè)平面的法向量n1和n2,然后利用數(shù)量積公式計(jì)算出銳二面角,其公式
|n1?n2|
為cosn1,n2=??,當(dāng)然考慮到二面角的取值范圍是?0,??,所以,二面角的平面角?與這兩個(gè)平面的法向量
n1n2
的夾角相等或互補(bǔ)。
四 掃雷先鋒
錯(cuò)誤之一:概念理解錯(cuò)誤
【例8】空間四邊形ABCD中,AB=CD且成60的角,點(diǎn) M、N分別為BC 、AD的中點(diǎn),求異面直線AB和MN成的角.
【錯(cuò)解】如圖所示,取AC的中點(diǎn)P,連PM,PN,MN。
11
AB ;NP∥CD,且NP=CD。 22
又AB=CD, 且AB,CD所成的角為600, ∴MP=NP且直線MP于NP成600角,∴ ?MPN=600,即?MPN使等邊三角形, ∴?PMN=600,即直線AB和MN成的角為600.
∵ M、N分別為BC 、AD的中點(diǎn),∴MP∥AB,且MP=
B
P M
000
【剖析】上面的解法遺漏了當(dāng)直線PM與PN成60角,而?MPN=120的情形,此時(shí)直線AB和MN所成角為30.為防止遺漏或錯(cuò)誤,在解題過程中應(yīng)正確理解定義.
【點(diǎn)評(píng)】題目中的錯(cuò)誤,是同學(xué)們最易忽視的,有時(shí)看到一例題目,似乎會(huì)做,但是,不經(jīng)過縝密的思考,就會(huì)出現(xiàn)“千里之堤,潰于蟻穴”的慨嘆.
錯(cuò)誤之二:忽視分類討論錯(cuò)誤 【例9】點(diǎn)M是線段AB的中點(diǎn),若A、B到平面?的距離分別為4cm和6cm,則點(diǎn)M到平面?的距離為——————
【錯(cuò)解】如圖1,分別過點(diǎn)A、B、M作平面?的垂線,AA,BB,MH,垂足分別為A/,B/,H.
MA
B
/
/
A
H
圖1
/
/
圖2
/
/
則線段AA,BB,MH的長(zhǎng)分別為點(diǎn),A、B、M到平面?的距離,由題設(shè)知,AA=4cm,BB=6cm,
比較多,當(dāng)然最好的辦法是用線面垂直的判定定理來證明。
【解析】(1)取FC的中點(diǎn)G , 連結(jié)OG、BG。∵O為DF的中點(diǎn), ∴OG//DC且OG= 在正方形ABCD中, M為AB中. ∴MB//DC且MB=
1
DC . 2
1
DC. ∴OG//MB且OG=MB, 2
∴四邊形OMBG為平行四邊形. ∴OM//BG , 又∵BG?平面BFC , OM?平面BFC, ∴OM//平面BCF.
F
C
(2)在直三棱柱ADE-BCF中, DC⊥平面BCF, ∴DC⊥BG , 在等腰△FBC中, ∵BF=BC, ∴G為FC的中點(diǎn), ∴BG⊥FC , ∴BG⊥平面EFCD. 又∵OM//BG , ∴OM⊥平面EFCD. 又∵OM?平面MDF, ∴平面MDF⊥平面EFCD. (3)過B作BH⊥DM交DM的延長(zhǎng)線于H , 連結(jié)FH . ∵平面EFBA⊥平面ABCD, FB⊥AB. ∴FB⊥平面ABCD .
∴BH為FN在平面ABCD上的射影. ∴FH⊥DH (三垂線定理). ∴∠FHB為二面角F-DM-C的平面角, 設(shè)AB=1 , 則BH=BMsin∠AMD=
A
M
BF111
5. ∴二面角F-DM-C的正切值為5。 ??,∴tan∠FHB=BH25
2
【點(diǎn)評(píng)】該題主要是能夠熟練應(yīng)用判定定理來證明相關(guān)的問題,因此要熟悉定理并能靈活應(yīng)用。 【例2】 如圖, 己知四棱錐P-ABCD的底面為直角梯形, AD//BC , ∠BCD=90°, PA=PB, PC=PD。 (1)證明: CD與平面PAD不垂直; (2)證明:平面PAB⊥平面ABCD; (3)(理科)如果CD=AD+BC , 二面角P-BC-A等于60°, 求二面角P-CD-A的大小。
A
C
D F
【分析】問題(1)需要利用反證法來證明,問題(2)仍用面面垂直的判定定理來證明。 【解析】(1)若CD⊥平面PAD, 則CD⊥PD, 由己知PC=PD得∠PCD=∠PDC<90°, 這與CD⊥PD矛盾,所以CD與平面QAD不垂直.
(2)取AB、CD的中點(diǎn)E、F , 連結(jié)PE、PF、EF, EF為 直角梯形的中位線, EF⊥CD.
由PA=PB , PC=PD得 PE⊥AB. 又PF∩EF=F
∴CD⊥平面PEF , 由PE?平面PEF 得 CD⊥PE , 又AB⊥PE且梯形兩腰AB、CD必相交。
∴PE⊥平面ABCD, 又PE?平面PAB , ∴平面PAB⊥平面ABCD.
(3)由(2)及二面角定義可知∠PFE為二面角P-CD-A的平面角. 作EG⊥BC于G , 連PG. ∴BC⊥PG. ∴∠PGE為二面角P-CD-A的平面角, 即∠PGE=60°.
由己知 得 EF=
111
(AD+BC)= CD. 又EG=CF=CD. ∴EF=EG。 222
易證得Rt△PEF≌Rt△PEG , ∴∠PFE=∠PGE =60°即為所求。
【例3】已知四棱錐P-ABCD的底面為直角梯形,AB∥DC,?DAB?90?,PA?底面ABCD,且PA=AD=DC=M是PB的中點(diǎn)。
(
1)證明:面PAD⊥面PCD;
(2)求AC與PB所成的角余弦值; (3)(理科)求面AMC與面BMC所成二面角的余弦值。
1
AB=1,2
【分析】本小題主要考查直線與平面垂直、直線與平面所成角和二面角的有關(guān)知識(shí)及思維能力和空間想象能力.考查應(yīng)用向量知識(shí)解決數(shù)學(xué)問題的能力。
【解析】方法一:
(1)證明:∵PA⊥面ABCD,CD⊥AD,∴由三垂線定理得:CD⊥PD。因而,CD與面PAD內(nèi)兩條相交直線AD,PD都垂直,∴CD⊥面PAD。又CD?面PCD,∴面PAD⊥面PCD.
(2)解:過點(diǎn)B作BE//CA,且BE=CA,則∠PBE是AC與PB所成的角.
連結(jié)AE,可知AC=CB=BE=AE=2,又AB=2,所以四邊形ACBE為正方形. 由PA⊥面ABCD得∠PEB=90°,在Rt△PEB中BE=2,PB=5, ?cos?PBE?
E
B
BE。 ?
PB5
(3)解:作AN⊥CM,垂足為N,連結(jié)BN。在Rt△PAB中,AM=MB,又AC=CB, ∴△AMC≌△BMC,∴BN⊥CM,故∠ANB為所求二面角的平面角.
∵CB⊥AC,由三垂線定理,得CB⊥PC,在Rt△PCB中,CM=MB,所以CM=AM。 在等腰三角形AMC中,AN·MC=CM?(
2
AC2
)?AC, 2
2
AN?2?
2
AN2?BN2?AB22
. ∴AB=2,?cos?ANB?
2?AN?BN3方法二:(理科)因?yàn)镻A⊥PD,PA⊥AB,AD⊥AB,以A為坐標(biāo)原點(diǎn)AD長(zhǎng)為單位長(zhǎng)度,如圖建立空間直角坐標(biāo)系,則各點(diǎn)坐標(biāo)為A(0,0,0)B(0,2,0),C(1,1,0),D(1,0,0
),P(0,0,1),M(0,1,).
1
2
由題設(shè)知AD⊥DC,且AP與AD是平面PAD內(nèi)的兩條相交直線,由此得DC⊥面PAD. 又DC在面PCD上,故面PAD⊥面PCD. (2)解:因AC?(1,1,0),PB?(0,2,?1),
故||???2
,所以cos?AC,PB???.
5
(3)解:在MC上取一點(diǎn)N(x,y,z),則存在??R,使??,
11
(1?x,1?y,?z),?(1,0,?),?x?1??,y?1,z??.。
22
14
要使AN?MC,只需??0即x?z?0,解得??。
25
412
可知當(dāng)??時(shí),N點(diǎn)坐標(biāo)為(,1,),能使??0,
555
1212
此時(shí),?(,1,),?(,?1,),有??0
5555
由??0,??0得AN?MC,BN?MC.所以?ANB為所求二面角的平面角。
4?|AN|?BN|?AN?BN??.
5
AN?BN2?cos(AN,BN)???.
3|AN|?|BN|
【點(diǎn)評(píng)】建立空間直角坐標(biāo)系,通過代數(shù)計(jì)算得到幾何值,這種問題是近幾年中高考的重點(diǎn)內(nèi)容。
七、高考風(fēng)向標(biāo)
考查方向一:空間幾何體的三視圖以及面積、體積的計(jì)算
例1右圖是一個(gè)幾何體的三視圖,根據(jù)圖中數(shù)據(jù),可得該幾何體的表面積是( ) A.9π B.10π C.11π D.12π
俯視圖 正(主)視圖 側(cè)(左)視圖
分析:本題考查三視圖、球和圓錐的表面積等基礎(chǔ)知識(shí),考查空間想象能力和運(yùn)算能力.三視圖是課標(biāo)高考相對(duì)于大綱高考的新增內(nèi)容,是課標(biāo)高考的一個(gè)熱點(diǎn)內(nèi)容.解題的關(guān)鍵是由這個(gè)三視圖想象出這個(gè)空間幾何體是如何構(gòu)成的.
解析:D 該幾何體下面是一個(gè)底面半徑為1,母線長(zhǎng)為3的圓柱,上面是一個(gè)半徑為1的球,其表面積是
2??1?3?2???12?4??12?12?.
點(diǎn)評(píng):本題容易出錯(cuò)的答復(fù)有兩個(gè),一是不能由這個(gè)三視圖想象出這個(gè)空間幾何體,二是用錯(cuò)球的表面積公式、圓柱的側(cè)面積公式或在計(jì)算圓柱的表面積時(shí)忽視了上下底面.
考查方向二:空間線面位置關(guān)系的判斷
例2(08年安徽理4)已知m,n是因?yàn)閮蓷l不同直線,?,?,?是三個(gè)不同平面,下列命題中正確的是( )
A.若m‖?,n‖?,則m‖n C.若m‖?,m‖?,則?‖?
B.若???,???,則?‖? D.若m??,n??,則m‖n
分析:考查空間線面位置關(guān)系的判斷.本題主要用到的是“兩條直線如果和同一個(gè)平面垂直,則這兩條直線平行”,這是空間直線和平面垂直的性質(zhì)定理,是空間線面位置關(guān)系的主要定理之一。
解析:D m,n均為直線,其中m,n平行?,m,n可以相交也可以異面,故A不正確;m??,n⊥α則同垂直于一個(gè)平面的兩條直線平行.
點(diǎn)評(píng):對(duì)空間線面位置關(guān)系的判定定理生疏或者不會(huì)結(jié)合圖形進(jìn)行分析是本題解答錯(cuò)誤或不會(huì)解答的主要原因.在空間直線和直線的平行關(guān)系、平面和平面之間的平行關(guān)系具有傳遞性,但是直線和平面之間的平行關(guān)系沒有傳遞性,本題中A、C兩個(gè)選擇支就是針對(duì)這個(gè)問題而設(shè)計(jì)的。在平面上和同一條直線垂直的兩條直線平行,但在空間這個(gè)結(jié)論不成立,同時(shí)在空間和同一個(gè)平面垂直的兩個(gè)平面也不平行,本題的選擇支B就是針對(duì)這個(gè)問題設(shè)計(jì)的。
考查方向三:空間垂直與平行關(guān)系的證明
例3如圖,在四面體ABCD中,CB?CD,AD?BD,點(diǎn)E,F分別是AB,BD的中點(diǎn),求證:
(1)直線EF?面ACD; (2)面EFC?面BCD.
E C A
分析:根據(jù)線面平行的判定定理和面面垂直的判定定理,尋找需要的直線。 證明:(1)∵E、F分別是AB、BD的中點(diǎn), ∴EF是△ABD的中位線,∴EF//AD. 又∵EF?面ACD,AD?面ACD,∴直線EF//面ACD.
EF//AD?(2)??EF
AD?BD?
CB?CD??BD?面CEF?
CF?BD??面EFC?面BCD
F為BD中點(diǎn)?BD?面BCD?CF?EF?F
點(diǎn)評(píng):本題考查空間直線與平面、平面與平面的位置關(guān)系的判定,考查空間想象能力、推理論證能力.主要檢測(cè)考生對(duì)空間線面位置關(guān)系的判定和性質(zhì)定理的掌握程度.
考查方向四:全面考查立體幾何的綜合性試題 例4 如下的三個(gè)圖中,上面的是一個(gè)長(zhǎng)方體截去一個(gè)角所得多面體的直觀圖.它的正視圖和俯視圖在下面畫出(單位:cm)
(1)在正視圖下面,按照畫三視圖的要求畫出該多面體的俯視圖; (2)按照給出的尺寸,求該多面體的體積;
(3??∥面EFG.
E ?C? ?
C
分析:根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)和圖中反應(yīng)的線面位置關(guān)系解決。
解析:(1)如圖
(側(cè)視圖)
(俯視圖)
(正視圖)
(2)所求多面體體積
1?1?
V?V長(zhǎng)方體?V正三棱錐?4?4?6????2?2??2
3?2?
284?(cm2).
3
(3)證明:在長(zhǎng)方體ABCD?A?B?C?D?中, 連接AD?,則AD?∥BC?.
因?yàn)镋,G分別為AA?,A?D?中點(diǎn), 所以AD?∥EG,從而EG∥BC?. 又BC??平面EFG, 所以BC?∥面EFG.
A?E C? ?C 點(diǎn)評(píng):本題考查立體幾何初步的基本知識(shí)和方法.立體幾何初步中的主要問題是空間幾何體的三視圖、直觀圖、表面積和體積計(jì)算,空間線面位置關(guān)系的證明,本題把這些問題糅合在一起綜合檢測(cè)考生對(duì)立體幾何初步的掌握程度,這可以說是針對(duì)立體幾何初步而設(shè)計(jì)的一道典型試題。在畫俯視圖時(shí)不標(biāo)明尺寸,或是只畫一個(gè)矩形;在計(jì)算體積時(shí)沒有體積分割的思想意識(shí),或是忽視了錐體體積公式中的之一,在復(fù)習(xí)中要認(rèn)真體會(huì)。
例4 如圖,已知四棱錐P?ABCD,底面ABCD為菱形,PA?平面ABCD,?ABC?60,
E,F(xiàn)分別是BC,PC的中點(diǎn).
(
1)證明:AE?PD;
(2)若H為PD上的動(dòng)點(diǎn),EH與平面PAD
分析:第一問轉(zhuǎn)化為證明線面垂直;第二問根據(jù)EH與平面PAD所成最大角的正切值為
1
,在空間幾何體的體積計(jì)算中“割補(bǔ)法”是最重要的技巧3
E?AF?C的余弦值. 2
面邊長(zhǎng)和高之間的關(guān)系,然后用傳統(tǒng)的方法作出二面角的平面角解決,或是用空間向量的方法解決。
證明:(1)由四邊形ABCD為菱形,?ABC?60,可得△ABC為正三角形. 因?yàn)镋為BC的中點(diǎn),所以AE?BC.又BC∥AD,因此AE?AD. 因?yàn)镻A?平面ABCD,AE?平面ABCD,所以PA?AE.
而PA?平面PAD,AD?平面PAD且PA?AD?A,所以AE?平面PAD. 又PD?平面PAD,所以AE?PD.
分析問題的能力,這個(gè)地方能有效地檢測(cè)考生的思維層次,是一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)秀的試題.
八、沙場(chǎng)練兵
一、選擇題
1.一條直線與一個(gè)平面所成的角等于??,另一直線與這個(gè)平面所成的角是. 則這兩條直 36
線的位置關(guān)系( )
A.必定相交 B.平行 C.必定異面 D.不可能平行
1.D
2.在一個(gè)錐體中,作平行于底面的截面,若這個(gè)截面面積與底面面積之比為1∶3,則錐 體被截面所分成的兩部分的體積之比為( )
A.1∶ B.1∶9 C.1∶33 D.1∶(3?1)
2.D
P、Q、R分別是AB、AD、B1C1的中點(diǎn).那么,正方體的過P、Q、R的截3.正方體ABCD?A1BC11D1中,
面圖形是( )
A.三角形 B.四邊形 C.五邊形 D.六邊形
3.D
4.正四棱錐的側(cè)棱長(zhǎng)與底面邊長(zhǎng)都是1,則側(cè)棱與底面所成的角為( )
A.75° B.60° C.45° D.30°
4.C
5.對(duì)于直線m、n和平面?,下面命題中的真命題是( )
A.如果m??,n??,m、n是異面直線,那么n//?
B.如果m??,n??,m、n是異面直線,那么n與?相交 C.如果m??,n//?,m、n共面,那么m//n
D.如果m//?,n//?,m、n共面,那么m//n
5.C
6.已知正方體ABCD-A1B1C1D1的棱長(zhǎng)為a,長(zhǎng)為定值的線段EF在棱AB上移動(dòng)(EF<a),若P是A1D1上的定點(diǎn),Q是C1D1上的動(dòng)點(diǎn),則四面體PQEF的體積是( )
A.有最小值的一個(gè)變量 B.有最大值的一個(gè)變量
C.沒有最值的一個(gè)變量 D.是一個(gè)常量
6.D
7.已知平面?與?所成的二面角為80°,P為?、?外一定點(diǎn),過點(diǎn)P的一條直線與?、? 所成的角都是30°,則這樣的直線有且僅有( )
A.1條 B.2條 C.3條 D.4條
7.D
8.如圖所示,在水平橫梁上A、B兩點(diǎn)處各掛長(zhǎng)為50cm的細(xì)線AM、BN、AB的長(zhǎng)度為60cm,在MN處掛長(zhǎng)為60cm的木條MN平行于橫梁,木條中點(diǎn)為O,若木條繞O的鉛垂線旋轉(zhuǎn)60°,則木條比原來升高了( )
A.10cm B.5cm
C.103cm D.53cm
8.A
9.如圖,棱長(zhǎng)為5的正方體無論從哪一個(gè)面看,都有兩個(gè)直通的 邊長(zhǎng)為1的正方形孔,則這個(gè)有孔正方體的表面積(含孔內(nèi)各面)是( )
A.258 B.234 C.222 D.210
9.C
10.設(shè)a,b為兩條直線,?,?為兩個(gè)平面,下列四個(gè)命題中,正確的命題是( )
A.若a,b與?所成的角相等,則a∥b
B.若a∥?,b∥?,?∥?,則a∥b
C.若a??,b??,a∥b,則?∥?
D.若a??,b??,???,則a?b
10.D 提示:A中若a,b與?所成的角相等,則a和b不一定平行,可能異面,也可能相交;B中若a∥?,b∥?,?∥?,則a和b不一定平行,也可能是異面;C中若a??,b??,a∥b,則?和?也可能平行,也可能相交。
11.底面邊長(zhǎng)為a,高為h的正三棱錐內(nèi)接一個(gè)正四棱柱(此時(shí)正四棱柱上底面有兩個(gè)頂點(diǎn)在同一個(gè)側(cè)面內(nèi)),此棱柱體積的最大值( )
4(4?73)2ah 9
4(4?7)2 C.a(chǎn)h 9 A.4(7?4)2ah 94(7
43)2
D.a(chǎn)h 9B.
11.B
12.將半徑都為1的4個(gè)鋼球完全裝入形狀為正四面體的容器里,這個(gè)正四面體的高的最小值為( )
A
.
B.2+
33C
.4+ 3D. 3
12.B
二、填空題
13.已知點(diǎn)P在正方形ABCD所在的平面外,PD?平面ABCD,PD?AD,則PA和BD所成角的度數(shù)為 。
13. 60 提示:將四棱錐P—ABCD補(bǔ)成正方體,如圖所示,則PA和BD所成角的度數(shù)即為PA和PM所成的角,而?PAM為等邊三角形,所以所求的角為60
00
14.如圖,矩形ABCD中,DC=,AD=1,在DC上截取DE=1,將△ADE
沿AE翻折到D1點(diǎn),點(diǎn)D1在平面ABC上的射影落在AC上時(shí),二面角D1—AE—B的平面角的余弦值是 .
14. 2?
DAB?60,E是AB中點(diǎn),15.如圖所示,在等腰梯形ABCD中,AB?2DC?2,將?ADE與?BEC分別沿ED、
EC向上折起,使A、B重合于P點(diǎn),則三棱錐
A15. E ? 提示:根據(jù)題意,折疊后的三棱錐P?DCE為正四面體,且棱長(zhǎng)為1,以這個(gè)正四面體來構(gòu)造正方體,8
26則此立方體的棱長(zhǎng)為,故立方體的對(duì)角線長(zhǎng)為,且立方體的外接球也為正四面體外接球,所以外接球半徑為22
6,則外接球的體積為?。 48
16. 已知平面?,?和直線,給出條件:①m//?;②m??;③m??;④???;⑤?//?。(i)當(dāng)滿足條件 時(shí),有m//?;(ii)當(dāng)滿足條件 時(shí),有m??。(填所選條件的序號(hào))
16. (i)③⑤; (ii)②⑤。提示:可以分析出當(dāng)滿足條件③和⑤時(shí),則m//?,也就是說面面平行可以推出線面平行。出當(dāng)滿足條件②和⑤時(shí),有m??。
九、實(shí)戰(zhàn)演練
一、選擇題:在每小題給出的四個(gè)選項(xiàng)中,只有一項(xiàng)是符合題目要求的.本大題共12小題,每小題5分,共60分.
1.
正視圖 側(cè)視圖
A.三棱錐 B.四棱錐 C.五棱錐 D.六棱錐
1.C
2.ABCD-A1B1C1D1是正方體,O是B1D1的中點(diǎn),直線A1C交平面AB1D1于點(diǎn)M,則下列結(jié)論中錯(cuò)誤的是
( )
A.A、M、O三點(diǎn)共線 B.M、O、A1、A四點(diǎn)共面
C.A、O、C、M四點(diǎn)共面 D.B、B1、O、M四點(diǎn)共面
2.D
3.如圖所示,點(diǎn)S在平面ABC外,SB⊥AC,SB=AC=2,
E、F分別是SC和AB的中點(diǎn),則EF的長(zhǎng)是( )
A.1 B.2 C.2 2D.1 2
3.B 提示:
且EG=1、FG=1,所以EF? 取BC的中點(diǎn)G,連接EG、FG,EG//SB,
FG//AC,SB⊥AC,故?EGF?90,?
4.已知正四面體ABCD的表面積為S,其四個(gè)面的中心分別為E、F、G、H,設(shè)四面體EFGH的表面積為T,則
A.T?( ) S1411 B. C. D. 99434.A 提示:
長(zhǎng)的如圖,EG?21MN?BD,即四面體EFGH的棱長(zhǎng)是正四面體ABCD的棱3311,故其表面積之比為。 39
1A1B1,則多面體BC—PB1C1的體積為 ( ) 45.在棱長(zhǎng)為4的正方體ABCD—A1B1C1D1中,P是A1B1上一點(diǎn),且PB1?
A.816 B. C.4 D.16 33
5.B 提示:多面體BC—PB1C1 ,即四棱錐P?BB1C1C,其體積為?1?16?1
316。 3
6.如下圖所示,已知棱長(zhǎng)為a的正方體(左圖),沿陰影面將它切割成兩塊,拼成右圖所示的幾何體,那么拼成的幾何體的全面積為( )
A、
2?22a2 B、3?2a2 C、5?22a2 D、4?22a2 ????????
6.D 提示:切割拼合后,前后左右四個(gè)面的面積沒變,上下兩個(gè)面的面積是正方體的對(duì)角面的面積。
故拼成的幾何體的全面積為4?22a2。
7.已知圓錐的底面半徑為R,高為3R,在它的所有內(nèi)接圓柱中,全面積的最大值是( )
22A.22?R B.?R C.?R D.?R ??9
428
3522
PO1x?,PO1?3x,3RR
322圓柱的高為3R?3x,所以圓柱的為S?2?x?2?x(3R?3x)??4?x?6?Rx,當(dāng)x?R時(shí),S取最大值,4
9Smax??R2。 47.B 提示:組合體的軸截面如圖所示,由相似三角形的比例關(guān)系
8.半徑為R的球的內(nèi)接正三棱柱的側(cè)面積(各側(cè)面面積之和)的最大值為
A.3R 2( ) 2B.3R 2C.22R D.2R 2
8.A 提示: 如圖設(shè)球的內(nèi)接正三棱柱高的2x,則OO1?x,設(shè)球的內(nèi)接正三棱柱高的底面
A.若l//m,m//n,則l//n. B.若l??,n//?,則l?n. C.若l?m,m//n,則l?n. D.若l//?,n//?,則l//n. 11.D
12.已知平面?、?都垂直于平面?,且????a,????b.給出下列四個(gè)命題: ①若a?b,則???;②若a//b,則?//?;③若???,則a?b;④若?//?,則a//b. 其中真命題的個(gè)數(shù)為 ( ) A.4 B.3 C.2 D.1 12.A 提示:借助與正方體模型,不難發(fā)現(xiàn)4個(gè)命題都是真命題。選A。
二、填空題:本大題共4小題,每小題4分,共16分,請(qǐng)把答案直接填在題中橫線上.
13.已知ABCD是空間四邊形形,E、F、G、H分別是AB、BC、CD、DA的中點(diǎn),如果對(duì)角線AC=4,BD=2,那么EG2+HF2的值等于 .
13. 10 提示:易知四邊形EFGH是平行四邊形,EF=GH=2、EH=FG=1,在平行四邊形兩條對(duì)角線的平方和等于四個(gè)邊的平方和。故其和為10。 提示:.
14.如圖所示,平面M、N互相垂直,棱l上有兩點(diǎn)A、B, AC?M,BD?N,且AC⊥l,BD?l,AB=8cm,AC=6 cm,BD
=24 cm,則CD=
_________. 14. 26cm 提示: (一)(理科)
CD?CA?AB?BD?CD???26cm。
(二)補(bǔ)成一個(gè)長(zhǎng)方體,不難發(fā)現(xiàn)CD是這個(gè)長(zhǎng)方體的體對(duì)角線。 提示:.
15.現(xiàn)有正四面體ABCD,記此四面體能容納得下的最大球體半徑為R1,能容納得下此四面體的最小球體半徑為R2,則R1
R215.
1
提示:即正四面體的內(nèi)切球與外接球的問題。 3
16.已知在三棱柱
ABC?A1B1C
1中,底面為直角三角形,?ACB?90
,AC?6,BC?CC1
P是BC1上一動(dòng)點(diǎn),則CP?PA1的
最小值為_______________.
16. 提示:計(jì)算知AB1?BC1?2,又AC11?6,故?A1BC1是?A1BC1?90
的直角三角形。鋪平平面
A1BC
1、平面BCC1,如圖
AC?CP?PA1?AC1,在?AC1C中,由余弦定理1
故(CP?PA1)min?
三、解答題:本大題共6小題,共74分,解答應(yīng)寫出必要的文字說明、證明過程或演算步驟. 17.( 12分)在長(zhǎng)方體ABCD?A1B1C1D1中,已知DA?DC?4,DD1?3,求異面直線A1B與B1C所成角的余弦值.
17.法一:連接A1D,如圖
連接BD,在△A1DB中,A1B?A1D?5,
A1D//B1C,??BA1D為異面直線A1B與B1C所成的角.
BD?42,
A1B2?A1D2?BD225?25?329
則cos?
BA1D?. ??
2?A1B?A1D2?5?525
9
. 25
法二:(理科)以D為坐標(biāo)原點(diǎn),分別以DA、DC、DD1所在直線為x軸、y軸、z軸,建立空間直角坐標(biāo)系. 如圖
異面直線A1B與B1C所成角的余弦值為
則
A1(4,0,3)、B(4,4,0)、B1(4,4,3)、C(0,4,0)
, 得
A1?(0,4,?3),B1?(?4,0,?3).
設(shè)A1B與B1C的夾角為?,則cos??
99
, ? A1B與B1C的夾角余弦值為, 即異面直線A1B與B1C2525
所成角的余弦值為
9
. 25
18.(理科)(12分)三棱錐C?OAB的底面OAB是邊長(zhǎng)為4的正三角形,CO?平面OAB且CO?2,設(shè)D、E分別是OA、AB的中點(diǎn)。
(I)求證:OB∥平面CDE;
(II)求二面角O?DE?C的余弦值. 18.解:
(I)證明:∵DE是?OAB的中位線, ∴DE∥OB, DE?平面CDE, OB?平面CDE,
∴OB∥平面CDE.
(II)以O(shè)為原點(diǎn),OC為z軸正向,OB為y軸正向,在平面OAB內(nèi)作OF⊥y軸
并以O(shè)F為x
軸正向建立空間直角坐標(biāo)系(如圖)
則題意得:O?0,0,0?O,A2,0,B?0,4,0?,C?0,0,2?,D
設(shè)平面CDE的法向量為n??x,y,z?,DE??
0,2,0?,CD?
,E
.
2, 由n?
DE?0且n?
CD?0得
2y?0??
,令x?2得z?
n?. ?y?2z?0
取平面OAB的法向量OC??0,0,2?,
n?OC?????. cosn,OC???7n?OC
∴二面角O?DE?C的余弦值是
. 7
另一種建立坐標(biāo)系的方法是。 18.(文科)(12分)已知四棱臺(tái)上,下底面對(duì)應(yīng)邊分別是a,b,試求其中截面把此棱臺(tái)側(cè)面分成的兩部分面積之比.
18.解:設(shè)A1B1C1D1是棱臺(tái)ABCD-A2B2C2D2的中截面,延長(zhǎng)各側(cè)棱交于P點(diǎn).如圖
S?PBCa?ba2
∵BC=a,B2C2=b,∴B1C1=,∵BC∥B1C1,∴ a?b2S?PB1C1
()2
2
2
(a?b)
S?PBC. ∴S?PB1C1?2
4a
SB1C1CBS?PB1C1?S?PBCb2
同理S?PB2C2?2?S?PBC ∴ ?
aSB2C2C1B1S?PB2C2?S?PB1C1(a?b)2
12b2?2ab?3a2(b?3a)(b?a)b?3a??2?2? 22
b(a?b)(3b?a)(b?a)3b?a3b?2ab?a?a24a2
SABB1A1SDCC1D1SADD1A1b?3a
同理: ???
SA1B1B2A1SD1C1C2D2SA1D1D2A13b?a
由等比定理,得
S上棱臺(tái)側(cè)S下棱臺(tái)側(cè)
=
3a?b
a?3b
D直徑,AD與
19.(理科)(12分)如圖所示,AF、DE分別是圓O、圓O1的兩圓所在的平面均垂直,AD?8.BC是圓O的直徑,AB?AC?6,OE//AD.
A
(I)求二面角B?AD?F的大??;
(II)求直線BD與EF所成的角的余弦值. 19.解:(Ⅰ)∵AD與兩圓所在的平面均垂直,
∴AD⊥AB, AD⊥AF,故∠BAD是二面角B—AD—F的平面角,
依題意可知,ABCD是正方形,所以∠BAD=45.
即二面角B—AD—F的大小為45;
(Ⅱ)以O(shè)為原點(diǎn),BC、AF、OE所在直線為坐標(biāo)軸,建立空間直角坐標(biāo)則O(0,0,0),A(0,?2,0),B(32,0,0),D(0,?32,F(xiàn)(0,32,0)
所以,BD?(?2,?2,8),FE?(0,?2,8)
F
系(如圖所示),8),E(0,0,8),
cos?BD,EF??
0?18?64??
10
設(shè)異面直線BD與EF所成角為?,
82 10
直線BD與EF所成的角為余弦值為.
10
則cos??|cos?,?|?
19.(文科)(12分)已知直三棱柱ABC—A1B1C1 中,AC =BC =1,∠ACB =90°,AA1 =2,D 是A1B1 中點(diǎn). (1)求證C1D ⊥平面A1B ;
(2)當(dāng)點(diǎn)F 在BB1 上什么位置時(shí),會(huì)使得AB1
⊥平面C1DF ?并證明你的結(jié)論.
tan∠NFE=
=22,∴二面角N-CM-B余弦值是.
3EF
解法二:(理科)(Ⅰ)取AC中點(diǎn)O,連結(jié)OS、OB.∵ SA=SC,AB=BC,∴AC⊥SO且AC⊥BO.
∵平面SAC⊥平面ABC,平面SAC∩平面ABC=AC ∴SO⊥面ABC,∴SO⊥BO.
如圖所示建立空間直角坐標(biāo)系O-xyz.則A(2,0,0), B(0,23,0),C(-2,0,0),S(0,0,22), M(1,3,0),N(0,,2).∴=(-4,0,0),
,∵AC·SB=(-4,0,0)·(0,2,22)=0, SB=(0,2,22)∴AC⊥SB.
(Ⅱ)由(Ⅰ)得=(3,,0),=(-1,0,2). 設(shè)n=(x,y,z)為平面CMN的一個(gè)法向量,則
CM?n?3x?3y?0
x?2z?0
取z=1,則x=2,y=-6,∴=(2,-6,1),
又=(0,0,22)為平面ABC的一個(gè)法向量, ∴cos(n,∴二面角N-CM-B的余弦值是
1
.
3
=
1. 3
21.(12分)如圖,已知四棱錐P—ABCD中,底面ABCD是矩形,PA⊥平面ABCD,AP = AD = 1,AB = 2,E、F分別是AB、PD的中點(diǎn). (I) 求證:AF//平面PEC;
(II) 求PC與平面ABCD所成角的正弦值; (III) (理科)求二面角P—EC—D的余弦值.
21.解:方法一:(文科) (I) 取PC的中點(diǎn)O,連結(jié)OF、OE.
FO//DC,且FO?
1
DC. ?FO//AE. 2
又∵E是AB的中點(diǎn),且AB = DC,∴FO = AE. ∴四邊形AEOF是平行四邊形.∴AF//OE.
又OE ?平面PEC,AF ?平面PEC,∴AF//平面PEC.
(II) 連結(jié)AC. ∵PA⊥平面ABCD,∴∠PCA是直線PC與平面ABCD所成的角.
PA1, ??.所以sin?PCA?6AC55
即直線PC與平面ABCD所成角的正弦值為
6
在RtΔPAC
中,tan?PCA
方法二:(理科)以A為原點(diǎn),如圖建立直角坐標(biāo)系.如圖則A(0,0,0),B(2,0,0),C(2,1,0),D(0,1,0),F(xiàn)(0,(I) 取PC的中點(diǎn)O,連結(jié)OE.則O(1,
11
,),E(1,0,0),P(0,0,1). 22
11???11
AF?(0,,),EO?(0,,),
2222
11
,). 22
AF//EO.
又OE ? 平面PEC,AF ? 平面PEC,∴AF//平面PEC. (II) 由題意可得?(2,1,?1),
且PA?(0,0,?1)是平面ABCD的法向量,
cos?PA,PC??
6, 6
(III) 設(shè)m?(x,y,z)為平面PEC的法向量,PE?(1,0,?1),EC?(1,10).
x?z?0
,?m?PE?0,
則????? 可得? ?
x?y?0.???m?EC?0.
即直線PC與平面ABCD?
令
z = ? 1,則m= (? 1,1,? 1).
PA?(0,0,?1)是平面ABCD的法向量,
m?PA?
cos?m,PA???
|m|?|PA|∴二面角P—EC—D的余弦值為
。 3
P
F
E
22.(14分)如圖
PDA=45?,E、F分別是AB、PC的中點(diǎn). (1)求證:EF∥平面PAD;
(2)求異面直線EF與CD所成的角;
D
BC
,已知矩形ABCD所在平面外一點(diǎn)P,PA⊥平面ABCD,AB=2,
22.解法一:幾何法
(1) 證明:取PD的中點(diǎn)G,則FG=
11
CD且FG//CD, E為AB中點(diǎn),在矩形ABCD中,有AE//CD且AE=CD 22
∴有AE//FG且AE=FG, ∴平行四邊形EFGA,
有EF//AG ,又EF?面PAD,AG?面PAD , ∴EF//面PAD
(2)在矩形ABCD中,CD⊥AD,由PA⊥面ABCD知,PA⊥CD ∵AD、PA?面PAD,∴CD?平面PAD. ∵AG?面PAD,∴CD⊥AG,
由(1)有EF//AG,∴EF⊥CD
(3)過D作DH⊥PC,H為垂足,
由PA⊥面ABCD知,在△PAD中,PA⊥CD,已知?PDA=45?,
B
∴△PAD為等腰直角三角形,G為PD中點(diǎn),∴AG⊥PD 由(1)知EF//AG,∴EF⊥PD,由(2)知EF⊥CD, CD、PD?面PCD,∴EF⊥面PCD,
DH?面PCD,∴EF⊥DH,又有DH⊥PC,PC、EF?面PEF,∴DH⊥面PEF, DH即為點(diǎn)D到面PEF的距離
AD=PA=3,PA=32,CD=AB=2,CD⊥PD,PC=PD2?CD2?在直角三角形PCD中,DH=
D
22
PD?CD32?26) ??
PC1122
解法二:(理科)坐標(biāo)法
如圖,以A為坐標(biāo)原點(diǎn),以AB,AD,AP所在直線分別
為x軸、y軸、z軸,建立空間直角坐標(biāo)系.
∵PA⊥平面ABCD,?PDA=45?,所以三角形PAD為等腰直角三角形, 可設(shè)B(b,0,0),D(0,a,0),P(0,0,a),C(b,a,0) (1)∵E(,0,0),F(xiàn)(,
baa
,) 222
aa1????1???EF?(0,,)?AD?AP
2222
b2
∴EF∥平面PAD
(2) ∵CD?(b,0,0), ????????aa
∴EF?CD?(0,,)?(b,0,0)?0
22
EF?CD,異面直線EF與CD所成的角為90; (3) AD=PA=3,AB=2,∴a=3,b=2
E(1,0,0),F(xiàn)(1,3/2,3/2),EF=(0,3/2,3/2),PE?(1,0,?3)
過在作面PEF的法向量DH,設(shè)DH=(1,x,y),則 ?,?,∴??0,??0?(12分
)
1?x???3?11
(x?y)?03
即?2,解得?,=(1,?,),
33?y?1?1?3?y?0??3?
點(diǎn)D到面PEF的距離
2?11?99
6. 11
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